С. А. Лазарев Канд техн наук, заведующий кафедрой

ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.6-5:621.314.2
Рис. 1 — Схема электропривода с двухуровневым инвертором напряжения
Рис. 2 — Двухтрансформаторная схема электропривода с инвертором напряжения

---

63
прямоугольных импульсов напряжения. Пер-
вая гармоника такой последовательности 
должна соответствовать требуемому значе-
нию выходного напряжения. В этом случае 
для нагрузки — инвертор также является 
источником с малым внутренним сопротив-
лением, т.е. источником напряжения. Такой 
инвертор получил название автономного ин-
вертора напряжения.
В инверторе напряжения формирова-
ние выходного напряжения осуществляется 
с помощью широтно-импульсной модуляции. 
В качестве ключевых элементов в таких ин-
верторах применяются транзисторы с изо-
лированным затвором (IGBT) и полностью 
управляемые тиристоры. Среди полностью 
управляемых тиристоров следует выделить 
IGCT и SGST которые также имеют полевое 
управление. Ключи в инверторах напряже-
ния работают в жестком режиме коммута-
ции, что увеличивает коммутационные поте-
ри в них и тем самым ограничивает частоту 
коммутации и ухудшает форму выходного 
тока инвертора. Особенно сильно указанное 
обстоятельство проявляется в высоковольт-
ных инверторах, когда напряжение на ключе 
превосходит 3 кВ.
Схема электропривода с преобразовате-
лем частоты на основе инвертора напряже-
ния (рис. 1) получила широкое применение 
для электроприводов с номинальным выход-
ным напряжением 380В. Схема содержит 
неуправляемый выпрямитель емкостной 
фильтр в звене постоянного тока и автоном-
ный инвертор напряжения, выполненный 
на IGBT модулях (биполярный транзистор с 
изолированным затвором и обратный диод). 
Основными недостатками такой схемы яв-
ляются повышенный уровень высших гар-
моник во входном токе преобразователя и 
плохая электромагнитная совместимость с 
электродвигателем, обусловленная высо-
кочастотной коммутацией IGBT модулей, 
поскольку скорость изменения выходного 
напряжения инвертора в такой схеме дости-
гающая значения одного и более кВ/мкс от-
рицательно влияет на изоляцию электродви-
гателя и требует применение специального 
электродвигателя с улучшенной изоляцией. 
Вместе с тем, рабочее напряжение силовых 
полупроводниковых приборов не позволяет 
использовать такое схемное решение для 
высоковольтного электропривода.
Для уменьшения рабочего напряжения 
ключей инвертора, ряд производителей 
предлагают вариант высоковольтного элек-
тропривода на основе двухуровневого низ-
ковольтного инвертора и двухтрансформа-
торной схемы (рис. 2). 
Такое решение благодаря наличию на 
выходе инвертора трансформатора обе-
спечивает синусоидальное напряжение, 
подаваемое на электродвигатель с мини-
мальным уровнем высокочастотных гармо-
ник, что комфортно для питания статорных 
обмоток электродвигателя. При этом все 
высокочастотные гармоники выходного тока 
непосредственно инвертора ограничивают-
ся индуктивностью обмоток повышающего 
трансформатора, сопровождая его допол-
нительный нагрев и снижая результирую-
щий КПД всего преобразователя частоты. За 
счет симметричности и синусоидальности 
напряжения выходного трансформатора 
преобразователя в электродвигателе огра-
ничиваются уровни паразитных синфазных 
токов через его подшипники. Однако такое 
решение имеет и существенные недостатки: 
• За счет двухкратного преобразования 
энергии в первичном и вторичном транс-
форматорах и однократного в автоном-
ном инверторе результирующее значение 
КПД преобразователя будет заметно сни-
жено (до 90%). Это приведет к необходи-
мости увеличения суммарной мощности 
на охлаждение установки, а также увели-
чит срок окупаемости преобразователя.
• Двухтрансформаторная схема высоко
-
вольтного электропривода является очень 
громоздкой и требует существенного уве-
личения площади модульного здания для 
размещения двух трансформаторов сухо-
го типа, корректора мощности, синусного 
фильтра. В случае применения масляных 
трансформаторов необходимо вынесести 
их за пределы модульного здания и выпол-
нить их в виде КТП, что в свою очередь ведёт 
к ужесточению требований к пожаробезо-
пасности оборудования. Увеличение сече-
ния силового кабеля и его длины, для мон-
тажа трансформаторов, преобразователя 
частоты, корректора мощности, синусных 
фильтров усложняет монтаж. Для обеспе-
чения безопасности персонала и обору-
дования необходимо предпринять допол-
нительные меры. К примеру, появляется 
необходимость установки дополнительных 
высоковольтных ячеек с разъединителями 
на входе питающего трансформатора и 
на выходе повышающего трансформато-
ра. Таким образом количество вводных 
ячеек увеличивается пропорционально 
количеству трансформаторов. Указанные 
недостатки ведут к существенному удоро-
жанию оборудования. На мощности выше 
800 кВт цена на комплект оборудования 
по двухтрансформаторной схеме, вклю-
чая стоимость кабеля для проведения 
монтажа, практически соответствует сто-
имости преобразователя с многоуровне-
вым инвертором. 
• Низкий диапазон регулирования скоро
-
сти высоковольтных электродвигателей в 
двухтрансформаторной схеме включения 
и существенное завышение мощности 
выходного трансформатора для исключе-
ния его насыщения при тяжёлых условиях 
пуска или при необходимости увеличения 
диапазона регулирования скорости ведет 
к дополнительному удорожанию и ограни-
чению на применение такой схемы.
• Проблемы синхронизации выходного на
-
пряжения инвертора с питающей сетью 
при шунтировании преобразователя ча-
стоты, выполненного по двухтрансфор-
маторной схеме включения во многих 
случаях являются непреодолимыми. К 
примеру, наличие фазового сдвига меж-
ду напряжением на выходе инвертора 
и напряжением сети вызывает броски 
тока в момент шунтирования, и требует 
установки дополнительных измеритель-
ных высоковольтных трансформаторов 
напряжения на выходе силового выход-
ного трансформатора. Практически не 
реализуема схема подхвата работающе-
го электродвигателя от сети для после-
дующего регулирования скорости этого 
электродвигателя. Последнее является 
необходимым требованием для каскад-
ного регулирования скорости группы 
высоковольтных электродвигателей от 
одного преобразователя.
• Поскольку на выходе автономного ин
-
вертора напряжения установлен второй 
повышающий трансформатор и нет не-
посредственной связи с противо-ЭДС 
электродвигателя, то в подобных силовых 
двухтрансформаторных схемах нет воз-
можности (на данный период времени) 
реализовать векторную структуру управ-
ления приводом, которая часто необхо-
дима по условиям тяжелых пусков рабо-
чего механизма. Скалярная же система 
управления приводом, свойственная 
рассматриваемым преобразователям ча-
стоты, не всегда может обеспечить подоб-
ные режимы из-за ограничений по току 
преобразователя и электродвигателя. 
Отмеченные недостатки двухтрансфор-
маторной схемы с низковольтным двухуров-
невым инвертором напряжения позволяют 
сделать вывод о нецелесообразности приме-
нения такого схемного решения для постро-
ения схем электропривода среднего напря-
жения (6 и 10 кВ).
Возможным схемотехническим реше-
нием позволяющим увеличить выходное 
напряжение инвертора является примене-
ние последовательного включения силовых